淺析航空電子設備腐蝕因素

張瑩穎，何衛(wèi)平

（結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

環(huán)境適應性設計與分析

淺析航空電子設備腐蝕因素

張瑩穎，何衛(wèi)平

（結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035）

對航空電子設備腐蝕因素進行了分析，為腐蝕防護設計提供了依據(jù)和基礎。根據(jù)航空電子設備的腐蝕失效問題、原防護體系類型及服役環(huán)境特點，從多個角度來分析腐蝕因素，如外部介質(zhì)侵入、內(nèi)部液體泄漏、設備結構上的薄弱環(huán)節(jié)等，詳細描述了各個因素對航空電子設備的腐蝕影響。由于使用環(huán)境惡劣等原因，腐蝕介質(zhì)會從多個途徑侵入到航空電子設備的內(nèi)部并嚴重影響其性能。為改善新設計或服役中航空電子設備的可靠性和可維修性，必須從根源上隔斷腐蝕源頭，無論是減輕環(huán)境的影響，還是加強結構設計的完整性。

航空電子設備；腐蝕；服役環(huán)境

航空電子設備在其生產(chǎn)制造、貯存、使用的全壽命期內(nèi)都會經(jīng)受各種環(huán)境因素的作用，各種惡劣環(huán)境對其性能有嚴重影響，而其性能直接關系到飛機的使用性能、安全性和可靠性。因此，航空電子設備都必須保證環(huán)境適應性，都要在一定環(huán)境條件下滿足其性能、可靠性、維修性、生存性、電磁兼容性、安全性和保障性等要求[1—4]。航空電子設備的腐蝕防護與控制是環(huán)境適應性設計的主要內(nèi)容和實施的重要保證措施。

1　腐蝕因素分析

以上案例說明，液體的侵入是一個重要的腐蝕因素，可以說是根源性問題。液體的侵入包括外部腐蝕環(huán)境引起的鹽霧、濕氣侵入，也包括內(nèi)部燃油、潤滑油等液體介質(zhì)的泄漏等。液體侵入的途徑也是必須考慮的重要腐蝕因素，許多設計缺陷直接導致液體的侵入，如口蓋的密封失效、通風口的換氣操作、空調(diào)系統(tǒng)的冷熱調(diào)節(jié)、設備吸潮材料的影響、各位置的積水等[5—13]。文中將從這幾個方面對航空電子設備腐蝕因素進行分析。

2　外部腐蝕環(huán)境的影響

嚴酷的腐蝕環(huán)境并不只是作用在機體表面或結構部位，同樣，鹽霧和濕氣會進入到機體內(nèi)部的航空電子設備區(qū)，并因其特殊位置，很難檢查出已經(jīng)導入設備內(nèi)部的這些液體介質(zhì)。以下列舉了一些典型的腐蝕環(huán)境。

航母甲板上的維護作業(yè)，口蓋、雷達、艙門和設備區(qū)的頻繁打開，海水氣氛直接影響到了航空電子設備的核心部位，且不易排出；飛機或航母排放的二氧化硫在空氣中形成硫酸，滲入設備中，加速了腐蝕。開啟口蓋時使得頂部的凝露、雨水落到口蓋控制桿、控制面板、控制臺上，腐蝕航空電子設備內(nèi)部異種金屬連接部位，緊固件連接區(qū)。維護作業(yè)過程中，人為造成的惡劣環(huán)境也會對航空電子設備產(chǎn)生影響。附件的操作（焊接、噴涂和溶劑清洗）產(chǎn)生的煙和蒸氣均可能引發(fā)腐蝕。工作站的空調(diào)系統(tǒng)會持續(xù)地提供低溫，在工作站中，如果不控制濕度，濕氣冷卻后將會產(chǎn)生冷凝液。

飛機低空掠海飛行時處于高濃度鹽霧環(huán)境下，濕氣會滲入飛機中，極易導致電纜、電連接器、天線、雷達、控制開關、焊接線和電搭接處等零件或部位產(chǎn)生腐蝕問題。直升機海上低空懸停時，旋翼揚起的水汽形成酸性鹽霧包裹著機身，大量的鹽霧甚至海水被卷入到發(fā)動機進氣口中或機身縫隙中，超過機身自排水能力。直升機在執(zhí)行海上救援任務時，人員、設備、貨物附著的海水也會進入機艙內(nèi)，這些腐蝕性極強的海水在飛機內(nèi)部流動，最后積聚在機身底部，滲入機身底部天線系統(tǒng)或其他電子設備中。還有飛機停放階段的腐蝕環(huán)境，以及航空電子設備存儲運輸?shù)母g環(huán)境都是必須考慮的問題。

3　內(nèi)部腐蝕液體介質(zhì)的影響

內(nèi)部液體介質(zhì)包括燃油、液壓油、潤滑油、電子設備冷卻液、除冰液、各類內(nèi)部水污染等。這些油脂類介質(zhì)大多會對橡膠產(chǎn)生影響，許多操作性液體還會腐蝕操作設備的密封，

1）發(fā)動機燃油。國內(nèi)常用的發(fā)動機燃油（如3號噴氣燃油）是一種石油蒸餾產(chǎn)物，主要添加了防止結冰、殺菌劑以及用于改良潤滑的劑料，燃油具有較低的溶解力，會使某些橡膠膨脹變軟，以致失效。

2）液壓油。該液壓油是一種從合成烴中提取的防火合成液體介質(zhì)，它的存在會降低涂層的粘附性，這類流體介質(zhì)的泄露可能會在電連接器的接觸偶間產(chǎn)生絕緣層，影響電器導通。

3）潤滑油。合成航空潤滑油（如國產(chǎn)長城一坪生產(chǎn)的 4106號潤滑油）是一種既可用在燃氣輪機（噴氣發(fā)動機），又可用在傳動裝置上的酯類油。這種全合成的油脂對合成橡膠和天然橡膠都有危害。

4）電子設備冷卻液。常用的電子設備冷卻液是一種硅酸鹽酯類液體，用于冷卻高功率電子設備。只有異常穩(wěn)定的密封劑，如碳氟化合物密封劑、氟橡膠或聚硫橡膠才可以抵抗該冷卻液。在未完全排除濕氣的電子設備上使用該冷卻液會造成水污染，最終會使冷卻液患上“黑死病”，這種黑色泡沫狀產(chǎn)物會降低冷卻液的冷卻效果。

5）除冰液。屬于異丙醇（MH/T 6001—1995《民用航空飛機除冰/防冰液標準》）通常用于飛機的除冰系統(tǒng)中。這種材料基本上對所有的密封材料和機體結構都是安全的，但會影響到電子專用清漆，這類清漆廣泛地使用在各類電子設備上。異丙醇具有很高的揮發(fā)速率，因此在局部冷卻中促進了冷凝水的產(chǎn)生。

6）水污染。多種類型的潮氣（水）會進入機體或設備，通過如下途徑：雨水、行李架清潔的殘余液體，行駛中進行沖洗操作濺出的水，以及乘客無意灑出的咖啡、飲料、茶水等；盥洗室內(nèi)濺出的尿液，尿液可能通過外部管道進入波導、艙底天線或其他設備；在潮濕的海洋環(huán)境下，溫度降低造成的水氣凝結，非氣密部件中通常會因為這個現(xiàn)象而產(chǎn)生冷凝水；除濕泵內(nèi)的干燥劑失效，干燥劑吸收空氣中的濕氣直至飽和，溫度上升時會使干燥劑中的水分散出，導致設備內(nèi)部濕氣的產(chǎn)生。所有侵入的水分會在低點形成水洼，腐蝕無保護的異種金屬連接，影響電連接器的絕緣。

4　結構設計的腐蝕薄弱環(huán)節(jié)

1）口蓋與襯墊間的縫隙。一架固定翼飛機有超過200個可拆卸的面板，為了密封，在口蓋和機身間一般配有固定的襯墊。測試中完好的密封效果卻不能保證隨著使用過程一直有效。這些都是潮氣或液體侵入的有效途徑。

2）機身撓性變形區(qū)。飛行高度的大范圍變化會造成飛行載荷、氣壓和溫度的循環(huán)變化，引起密封退化問題。現(xiàn)代飛機為滿足高性能，作用在機身的大載荷會引起撓性變形。不論高速固定翼飛機或是高載荷直升機，撓性變形都會使得口蓋、面板、接縫和蒙皮搭接處的密封變差甚至失效。不僅是飛行載荷有可能使密封失效，甚至牽引或是短距離滑行都有可能造成口蓋滲水。

3）通風口、管道和機身壓力傳感器。機身蒙皮上有多種功能孔，用于通風或安裝設備。機身壓力傳感器需要將外界大氣引入內(nèi)部設備進行測量，空氣進入機體時會引入相當比例的水分和潮氣，需要進行分離或濃縮。通風口和管道在非操作周期都是打開的，這樣外部的水分就會凝結在內(nèi)，流入機體。

4）雷達天線罩。由于鉸鏈和門閂之間的距離非常長，因此要保持機鼻處巨大的雷達天線罩的密封非常困難，維護時需要多次開合雷達罩也會對密封造成損害，雷達天線艙段內(nèi)的濕氣會隨著溫度變化而形成冷凝液，加上密封困難造成的水氣侵入，大部分飛行器在每次雷達罩開啟后都需要額外的維護。特別是暴露于高鹽分環(huán)境下，設備表面上會附著大量的鹽霧[14]。

5）開啟的舷窗或艙門。不管是在飛行還是在停放時，都經(jīng)常需要開啟直升機的舷窗或艙門，因而直升機的艙段特別容易受液體侵入。在執(zhí)行任務過程中，比如搜救任務，為保證工作人員的良好視線，通常會開啟舷窗或艙門，而含鹽的水會流入艙底和底部的天線及設備。直升機夜間飛行時駕駛員通常將側窗打開以得知是否在側滑，由于活動的（非密封）舷窗頻繁打開或關閉的時候有漏洞，因此窗邊的任何設備都有可能遭受水氣侵入。日常維護中，機艙用淡水沖洗也導致了水分的侵入。有份工程調(diào)查報告說明有些直升機艙底積聚約 30 cm深的水，這一類型的直升機明顯沒有在艙底設置排水口的設計。

6）鎂合金雷達部件。出于減重的需要，可能在飛機上使用鎂制部件。據(jù)記錄，海軍飛機使用鎂在不同部件上的應用已有多年。一般來說，這種設計是有缺陷的，因為鎂的性質(zhì)在海洋環(huán)境下非?；顫姡ú荒透g）。

5　設備設計的薄弱環(huán)節(jié)

侵入機體的液體不會立即從附近排水孔排出而脫離飛機，反而，這些液體會順著線束、液壓管道、操縱鋼索和波導管流動。除了重力會使水流動之外，飛行時的機動、彈射和剎車會使液體順著各種管道運動。在某些情況，液體甚至可以因為毛細作用往上走。多種侵入方式的組合，還有液體會隨著溫度氣壓等的變化蒸發(fā)、冷凝，使得水或其他液體存在于多個系統(tǒng)及部件中。

機箱緊固件區(qū)域，液體會積聚在設備的頂部或是水平表面，上蓋板緊固件周圍的埋頭孔或凹陷都可導致濕氣侵入。一般來說，設備頂部的緊固件孔都有可能成為液體的侵入點。緊固件孔是在表面陽極化或化學轉(zhuǎn)化膜處理后再加工，孔周圍極易遭受腐蝕，最終將會導致緊固件區(qū)域的滲漏。

樹脂墊圈用于常拆裝的部件的維護，定期維護時的人為損害，因尺寸變化和各種液體、高溫、臭氧等因素侵害造成的退化，共同作用降低了墊圈的密封性能。氣壓和溫度的變化，使得墊圈產(chǎn)生呼吸效應，潮氣和液體借機侵入機箱內(nèi)部。緊固件間距以及配套部件的硬度都會影響墊圈的密封效果。

現(xiàn)場成形的密封存在多種潛在的問題。普遍的問題是在成形時，密封太薄而彈性不足；或墊圈有空腔；或局部附著力太差而造成密封性不足。對于人工制作的密封，質(zhì)量的穩(wěn)定性是一個固有問題。設計現(xiàn)場成形密封時要考慮方便可達性要求和工作尺寸。

以下討論三種典型電連接器的薄弱環(huán)節(jié)：多孔、同軸和電路板安裝的電連接器。電連接器失效是航空電子設備故障的主要根源之一[15]。

1）多孔連接器。首先，接觸偶換位，更換電連接器內(nèi)的插針容易造成后殼的密封不良。另外，尾部線束易擠壓損傷。出于空間限制和減重要求，線束都比較短，并且在尾部附件上捆扎的彎曲半徑小，這樣不僅導致維修困難，且很小的彎曲半徑使得線束對尾部附件產(chǎn)生擠壓力，在振動和飛行載荷情況下，破壞了電連接器的尾部襯墊或密封。同時，擠壓和小彎曲半徑的共同作用下，使得線束絕緣破壞（破裂、分層、外層剝離等）。大多數(shù)飛機的線束問題都發(fā)生在進電連接器前的一小段，由于余量太小導致很難維修。

2）同軸連接器。相對多孔連接器，同軸連接器在海洋環(huán)境下并不需要經(jīng)常維護。一般同軸連接器用于連接刀型天線，刀型天線一般安裝在機腹，其90%的更換原因是因為腐蝕引起的信號衰減，水容易在天線部位聚集造成天線同軸連接器腐蝕。通常，艙底天線安裝部位不便維護，因此必須在天線和機身結合面做好密封預防，但完全做好內(nèi)部密封也是極困難的。

3）印制板邊緣連接器。印制板水平安裝容易堆積灰塵、殘渣等，垂直安裝能極大地降低此類問題（同時允許更好冷卻）。潮氣和吸潮的碎屑會在印制板頂部和底部邊緣聚集，其邊緣連接器會很大程度上受到腐蝕的影響。有很多案例表明，因為機架排水不暢，印制板底部邊緣和邊緣連接器會浸在水里。

6　結論

腐蝕及其環(huán)境條件是對航空電子設備造成負面影響的一種自然現(xiàn)象，為了有效地針對腐蝕進行防護和控制，使其降到可控的程序，必須從各方面去了解腐蝕的來源，設備失效的機理，如此才能選取正確的設計方法以及維護程序。綜上所述，設計必須基于以下假定：液體將會存在于任何無涂層的金屬表面；電解液將會存在任何異種金屬電偶對之間；水會積聚在所有低點區(qū)域；液體將會通過一些管道如電線束，波導管、控制桿或液壓管路到達設備內(nèi)部；非氣密機箱將會出現(xiàn)呼吸效應；電路板、連接器等元器件周圍易積聚水霧、灰塵、雜質(zhì)等。

[1] 劉元海. 艦載機載成附件環(huán)境適應性設計與管理[J].裝備環(huán)境工程, 2015, 12(2): 73—78. LIU Yuan-hai. Design and Management of Environmental Adaptability for the Shipborne Productions and Accessories[J]. Equipment Environmental Engineering, 2015, 12(2): 73—78.

[2] 魯遠曙, 左衛(wèi), 王玉龍, 等. 海洋性氣候電子設備鋁合金結構腐蝕防護研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2008, 5 (6): 71—75. LU Yuan-shu, ZUO Wei, WANG Yu-long, et al. Study on Corrosion Protection for Aluminum Alloy Structure of Electronic Equipments in Marine Climate[J]. Equipment Environmental Engineering, 2008, 5(6): 71—75.

[3] 高延達, 李健, 李宗原, 等. 淺析直升機的外場腐蝕防護[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(6): 135—139. GAO Yan-da, LI Jian, LI Zong-yuan, et al. Brief Analysis of Helicopter Field Corrosion Prevention[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(6): 135—139.

[4] 劉文廷, 李玉海. 飛機結構日歷壽命體系評定技術[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2004. LIU Wen-ting, LI Yu-hai. Precision Measurement Methods for the Calendar Life of Aircraft Structure System[M]. Beijing: China Machine Press, 2004.

[5] 陳振林. 淺談電子設備中金屬結構件的防腐蝕設計[J].機械與電子, 2011(7): 86. CHEN Zhen-lin. Anti-corrosion Design of Metal Structure of Electronic Equipment[J]. Mechanical and Electronics, 2011(7): 86.

[6] GJB 4239—2001, 裝備環(huán)境工程通用要求[S]. GJB 4239—2001, General Requirements for Military Equipment Environmental Engineering[S].

[7] RTCA/DO-160F, 機載設備環(huán)境試驗條件和試驗程序[S]. RTCA/DO-160F, Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment[S].

[8] HB 6167—1989, 民用飛機機載設備環(huán)境條件和試驗方法[S]. HB 6167—1989, Environmental Conditions and Test Methods for Airline Equipment[S].

[9] GJB 150—2009, 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S]. GJB 150—2009, Laboratory Environmental Test Methods for Military Equipment[S].

[10] GJB 4—1983, 艦船電子設備環(huán)境試驗[S]. GJB 4—1983, Environmental Tests for Ship Electronic Equipment[S]

[11] GB/T 4769, 電子電工產(chǎn)品環(huán)境條件分類[S]. GB/T 4769, Classification of Environmental Conditions of Electric and Electronic Products[S].

[12] GJB 10593.3, 電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法——振動 數(shù)據(jù)處理與歸納[S]. GJB 10593.3, Methods of Measuring Environmental Parameters for Electrical and Electronic Products, Treatment and Induction for Vibration Data[S].

[13] 宣衛(wèi)芳, 胥澤奇, 肖敏, 等. 裝備與自然環(huán)境試驗[M].北京: 航空工業(yè)出版社, 2009. XUAN Wei-fang, XU Ze-qi, XIAO Min, et al. Equipment and the Natural Environment Test[M]. Beijing: Aviation Industry Press, 2009.

[14] 沈陽, 李修和, 李勇. 雷達裝備復雜電磁環(huán)境適應性評價研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(3):1—5. SHEN Yang, LI Xiu-he, LI Yong. Research on Complex Electromagnetic Environmental Worthiness Evaluation of Radar Equipment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014,11(3): 1—5.

[15] 靳哲峰. 環(huán)境綜合應力作用下航天電連接器可靠性分析和建模[D]. 杭州: 浙江大學, 2003. JIN Zhe-feng. Failure Analysis and Reliability Modeling for Electrical Connector under Action of Combined Environmental Stresses[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2003.

Brief Analysis of Avionics Corrosion Factors

ZHANG Ying-ying, HE Wei-ping
(Structural Corrosion Prevention and Control, Key Laboratory of Aerospace Technology, Jingmen 448035, China)

To analyze the corrosion factors of avionics and provide basis and foundation for corrosion protection design. According to corrosion failures, original protecting system type and service environmental features of avionics, corrosion factors were analyzed from many ways such as attacks of external airframe medium, leakage of interior airframe fluids or vulnerabilities of equipment structure. And then the influence of the above corrosion factors on avionics were described in details. Due to the bad operation environment and other reasons, corrosion fluids would attack the avionics from many ways and seriously affect its performance. To improve reliability and maintainability of new design and in-service avionics, root of corrosion must be isolated, either to reduce the environmental impact or to strengthen the integrity of the structure design.

avionics; corrosion; service environment

2016-05-29；Revised：2016-06-08

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.029

TJ85；TG172

A

1672-9242(2016)05-0176-04

2016-05-29；

2016-06-08

張瑩穎（1984—），女，湖北麻城人，工程師，主要研究方向為腐蝕防護與控制工程。

Biography：ZHANG Ying-ying（1984—）， Male， from Macheng， Hubei， Engineer， Research focus: corrosion protection and control engineering.